第3章总线与主板

第3章总线与主板

3.1 知 识 要 点

总线（Bus）是由多个部件分时共享的公共信息传送线路。总线结构直接影响计算机各部件之间信息传递的效率。主板又称为主机板（Mainboard）、系统板（Systemboard）和母板（Motherboard），是安装在微型计算机机箱内的一块电路板，其组成和布局，决定了计算机的体系结构，直接影响计算机的性能。所以，本章包含如下内容。

（1）总线及其规范。

（2）总线的分类。

（3）总线的性能指标。

（4）总线的工作原理。

（5）几种标准总线。

（6）主板的组成。

（7）主板的分类。

3.1.1 总线的有关概念

1. 总线的基本特性

（1）机械特性：指总线在机械上的连接方式。

（2）电气特性：指总线的每一根线上的信号传递方向及有效电平范围。

（3）功能特性：描述总线中每一根线的功能。

（4）时间特性：各信号有效的时序关系。

2. 总线的性能指标

（1）总线宽度：数据总线的数量，用b（位）表示。

（2）总线周期：一次总线操作中所用的时间。

（3）总线带宽（标准传输率）：在总线上每秒传输的最大字节（B）量，用MB/s表示，即多少兆字节每秒。

（4）总线工作的时钟频率。

（5）多路复用技术。

（6）总线控制方式。

（7）其他指标：除了以上几项外，还有总线的同步方式、信号线数、负载能力和电源电压，能否扩展64位宽度等。

3. 总线分类

1）按照总线传递的内容分类

（1）地址总线（Address Bus，AB）：用来传递地址信息。

（2）数据总线（Data Bus，DB）：用来传递数据信息。

（3）控制总线（Control Bus，CB）：用来传递各种控制信号。

2）按照总线所处的位置分类

（1）片内总线：CPU芯片内部用于在寄存器、ALU以及控制部件之间传输信号的总线。

（2）片外总线：CPU芯片之外，用于连接CPU、内存以及I/O设备的总线。

3）按照总线在系统中连接的主要部件分类

（1）存储总线。

（2）DMA总线。

（3）系统总线。

（4）设备（I/O）总线。

4）按照系统中使用的总线数量分类

（1）单总线结构。

（2）双总线结构。

（3）三总线和多总线结构。

3.1.2 总线的工作原理

分时和共享是总线的两个基本特性。共享是指多个部件连接在同一组总线上，各部件之间相互交换的信息都可以通过这组总线传送。分时是指同一时刻总线只能在一对部件之间传送信息。系统中的多个部件是不能同时传送信息的。

1. 总线通信的定时方式

1）同步通信

同步通信的特点如下。

（1）系统总线设计时使T0、T1、T2、T3都有唯一明确的规定。

（2）采用了公共时钟，每个部件什么时候发送或接收信息都由统一的时钟规定。

（3）传输效率较高，但所有模块都强求一致的统一时限，这种设计缺乏灵活性。

2）异步通信

异步通信的特点如下。

（1）没有公共的时钟，也没有固定的时间标准。

（2）通过“请求”（Request）和“应答”（Acknowledge）方式（或称握手方式）来进行同步控制。

一般把异步应答关系分为不互锁、半互锁和全互锁3种类型，如图3.1所示。

图3.1 异步通信中请求与回答的互锁关系

3）半同步通信

半同步通信的特点如下。

（1）采用系统时钟，但对于慢设备，可以延长传输数据的周期。

（2）增加一根信号线控制是否增加（插入）等待周期来延长传输周期，如图3.2所示。

图3.2 半同步通信中读数据过程的时序关系

4）分离式通信

（1）每个模块占用总线使用权都必须提出申请。

（2）在得到总线使用权后，主模块在限定的时间内向对方发送信息，采用同步方式传送，不再等待对方的回答信号。

（3）各模块在准备数据的过程中都不占用总线，总线可以接受其他模块的请求。

（4）总线被占用时都在做有效工作，或者通过它发送命令，或者通过它传送数据，不存在空闲等待时间，充分地利用了总线的有效占用，从而实现了在多个主、从模块间进行交叉重叠并行式传送，这对大型计算机是极为重要的。

2．总线的组成

（1）传输线：地址线、数据控制线、时序和中断信号线、电源线、备用线。

（2）接口逻辑。

（3）总线控制器。

3. 总线中信号的传输过程

（1）请求总线。

（2）总线仲裁。

（3）目的寻址。

（4）信息传输。分两种情形。

①单周期方式：获得一次总线使用权后只能传输一个数据。

②突发式：获得一次总线使用权后可以连续进行多个数据的传输。

（5）错误检测。

4．总线的争用与仲裁

1）多路复用法

特点：时间分片传输，如图3.3所示。

图3.3 时间分片传输示意图

2）集中控制的优先权仲裁

（1）链式查询方式。离总线控制器最近的部件具有最高优先权，离总线控制器越远，优先权越低。链式查询通过接口的优先权排队电路实现。

（2）计数器定时查询方式。该方式采用一个计数器控制总线的使用权。计数器每次可以从0开始计数，也可以从终止点开始。如果从0开始，各部件的优先次序与链式查询法相同，优先级的顺序是固定的。

（3）独立请求方式。在独立请求方式中，每一个共享总线的部件均有一对总线请求线